有机垃圾厌氧发酵沼气概述①

摘要:本文综述了国内外垃圾处理现状,介绍了发酵沼气的技术,阐述了沼气的原料来源、生产方法、原理机理、发酵菌种的筛选及影响发酵的因素等内容。

关键词:有机垃圾厌氧发酵沼气

中图分类号:X799.3文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)09(c)-0038-02

垃圾是指不需要或无用的固体、流体物质,我国许多城市每天都会产生大量垃圾,垃圾处理常见的方法是填埋和焚烧,前者会造成土壤、地下水污染等,后者会产生大量CO2及有害气体,两者均会带来环境问题。因此,许多学者都在致力于研究垃圾处理的方法。有机垃圾是指生活垃圾中含有有机物成分的废弃物,主要是废纸、木头等纤维性物质、厨房菜渣、果皮、菜皮叶、剩饭菜、人和动物排泄物等,城市生活垃圾中有机垃圾占了较大比例,而且其中可生物降解物质含量很高,许多发达国家已经开始把城市有机垃圾资源化处理作为一个重要的研究性课题,在我国有机垃圾的回收利用也越来越受到人们重视了。

有机垃圾的厌氧发酵是目前国内外比较通行的处理方法,能较高效率地降解有机物质,通过厌氧发酵产生大量沼气,并且发酵以后的沼渣能可以加工成肥料[1～3]。利用有机垃圾厌氧发酵制备沼气为缓解我国能源问题和解决我国环境问题提供了新思路,采用厌氧发酵产生洁净能源—— 沼气,具有成本低、环境效率高及可持续发展等特点[4]。沼气除直接燃烧用于发电、供暖和气焊等外,还可作家用燃料、内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料,厌氧发酵的固体剩余物含有十分丰富的营养物质,可以作为有机肥料,供农作物生长利用,将其中的氨基酸、无机盐等有效物质提取出来,经过加工可添加到动物饲料中,可降低饲养成本。经过有机垃圾厌氧发酵,可实现城市垃圾资源化处理,变废为宝,走上绿色循环可持续发展的道路。

本文从厌氧发酵沼气的现状、沼气的发酵菌种的筛选、发酵机理、沼气的生产方法及影响发酵的因素等方面进行论述,比较厌氧发酵制备沼气技术的优缺点,为后续研究提供帮助。

1 发酵制备沼气的原料来源

沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的,利用垃圾制取沼气的早期试验是由Ba-bbitt等人进行的,基本操作步骤是采用城市生活垃圾和污水污泥混合料进行的一系列试验,结果表明城市生活垃圾是适合于厌氧发酵的。在这之后,很多国内外研究人员都在这一领域做了探索,并且取得了一些成果。目前沼气发酵原料来源主要有如下几种。

1.1 人和动物排泄物

人和动物排泄物是一种传统的生产沼气的原料,技术已经趋于成熟,其具体操作是依据所建发酵池的规格大小,在适宜的温度下,加入一定量老沼气池的发酵液,然后再添加一定量的人和牲畜的粪便,控制好发酵池中的温度及压力待其发酵一段时间即可,这种方法生产沼气,操作简单,易于操作,但是极大地受到了原料的限制。

1.2 秸秆

我国传统的沼气生产大多是在农村实现,其基本原料是人和牲畜的排泄物,由于北方天气条件及近几年牲畜疫情的蔓延,农民养殖牲畜越来越少,传统的沼气生产在北方地区已经很难满足北方人民的需要,北方地区利用其秸秆资源丰富的优势,进行秸秆生产沼气。

秸秆生产沼气的主要步骤是收集秸秆,在干燥条件下贮藏,然后进行粉碎加工,秸秆入池,密封池盖边加水边搅拌等。秸秆生产沼气的主要缺点是受到了地域性的限制,而且需要使用甲烷促进剂,增加了生产成本,如需大范围内推广则还需要进一步研究与改进。

1.3 蚕沙

蚕沙是养蚕过程中产生的废弃物,养蚕是我国的传统养殖业,但是一直以来人们只重视蚕茧生产,而忽视蚕沙的利用,蚕沙生产沼气大体上与传统的利用人和动物排泄物生产沼气大同小异,但是在一些具体环节上还有区别,比如pH会直接影响产气率,当pH小于6或大于10时,产气率会大大减小,同时除沙过程中使用的消毒剂等对于细菌有较强的抑制作用[5]。这一技术也受到了地区性的限制。

1.4 城市有机垃圾

城市有机垃圾厌氧发酵生产沼气是近几年才发展起来的新技术,是利用厨房菜渣、果皮、菜皮叶、剩饭菜、动物内脏、人和动物排泄物为原料,经过简单的破碎处理后,加入一定量的水和发酵菌液,采用发酵的方式,严格控制在无氧的条件下进行发酵。利用发酵微生物对有机垃圾中的有机物进行降解,生产沼气。

2城市有机垃圾厌氧沼气发酵菌种的筛选

目前国内厌氧发酵生产沼气的微生物主要采用发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等五种细菌。部分公司生产使用改造的产甲烷细菌、产氢产酸菌和厌氧纤维素分解菌等,这些微生物都是通过不同的方法在不同地方经复杂的分离提取得到,它们都有各自不同的代谢方式,最终都是把有机物质进行降解,产生甲烷。

3城市有机垃圾厌氧发酵生产沼气的机理

厌氧发酵生产沼气的原理是利用微生物的代谢作用在没有硝酸盐、硫酸盐、氧气和光线的条件下,经微生物分解作用,将有机物质降解来生产沼气的过程。有机垃圾厌氧发酵沼气时,需经过基本分类、破碎处理后,然后在添加一定量的水分、控制适宜的温度和和保持厌氧的条件下,通过发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等发酵性微生物的代谢作用,进行不同方式的分解,最终形成沼气的复杂的生化反应过程。有机垃圾中所含的复杂有机物质在菌种水解酶的作用下,生成相应的复杂有机物,如单糖、脂肪酸、氨基酸等,继而在水解性细菌胞内酶的作用下,分解成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇以及CO2和H2等,然后在产氢产乙酸菌或耗氢产乙酸菌的作用下,将上述产物转化成乙酸,再经过食氢产甲烷菌或食乙酸产甲烷菌的作用下,分解乙酸产生甲烷。

4影响厌氧发酵生产沼气的因素

4.1 不同碳氮比对厌氧发酵生产沼气的影响

曾光明、乔玮[6]采用完全混合厌氧消化工艺处理城市垃圾,分析结果表明在不同碳氮比条件下沼气产生量不同。不同的碳氮比对于微生物厌氧发酵生产沼气,是有很大影响的。Walter[7]等报道中指出当N的含量很高时,高浓度的氨态氮抑制了产甲烷菌的活性,抑制厌氧发酵产甲烷。在厌氧发酵过程中,当氮的含量很低时,甲烷的产量和氮的含量成正比例关系,当氨的含量增加到2000mg/L以上时,发酵液的酸碱平衡被破坏,产甲烷菌的催化活性降低,甲烷的产量迅速降低。因此,控制C/N在适当水平对于生产沼气是十分重要的。

4.2 温度对厌氧发酵生产沼气的影响

适当提高有机垃圾发酵液的温度有利于厌氧发酵生产沼气,有机垃圾厌氧发酵制备沼气是在30℃左右条件下进行的,适当提高温度,更有利于产甲烷菌发挥其催化活性,对有机垃圾中的有机物质的降解更加彻底,当温度低于10℃时,产甲烷菌中所含催化酶无法发挥其催化功能,不能产生甲烷。当温度在10℃～35℃区间,产甲烷菌的产气能力随着温度的升高而增强,当达到35℃时,甲烷产生量最大,当温度35℃以上,不适宜产甲烷细菌的生长[8]。

4.3 pH值对厌氧发酵生产沼气的影响

不同的pH值对于厌氧生产沼气的影响也很大,由于产甲烷细菌适合于在弱碱性条件下生长,它的最佳pH范围为6.8～7.5,因此在产甲烷阶段发酵液的pH值要严格控制在6.8～7.5的范围内,只有在这个范围,产甲烷菌才能正常生长,才能发挥其催化功能,如果pH值低于这一水平,CO2量会大大增加,大量水溶性有机物和H2S及其他含S化合物会产生,硫化物含量的增加又会反过来抑制产甲烷菌的生长。传统调节发酵液的pH可以通过添加生石灰或通过调节碳氮比来调节pH。

5结语

城市有机垃圾中含有极其丰富的有机物质,对其的资源化处理有很重要的意义,既可以缓解能源压力,又能减少环境污染,实现垃圾的循环利用。城市有机垃圾作为原料厌氧发酵沼气技术已经经过大量实验室研究、中试研究,将来有可能得到大规模的推广,也是今后产业化研究的主要方向。

参考文献

[1]易艾琼.有机垃圾厌氧发酵产氢技术研究进展[J].河北化工大学学报,2007,3(30):28～30.

[2]王星,王德汉,张玉帅,等.国内外餐厨垃圾的生物处理及资源化技术进展[J].环境卫生工程,2005,13(2):25～29.

[3]Kirkeby J.J.,G..S.Bhander,H.Birgisdottir,et al.Evaluation of environmental impacts from mumicipal solidwaste management in the Municipality of Arhus [J].WasteManage Res, 2006,(24):3～15.

[4]张光明,王伟.厌氧消化处理生活垃圾工艺研究[J].中国沼气,1997,15(2):14～16.

[5]陈春,吴大洋.利用蚕沙生产沼气的开发利用[J].中国蚕业,2004,3(25):82～84.

[6]曾光明,乔玮,袁兴中,等.完全混合厌氧消化处理城市垃圾的特性研究[J].湖南大学学报,2003,5(3):51～54.

[7]Water J Wujcik.Anaerobic dry fermentation [J].Biotechnology Bioengineering Sump,1980,(10):43～65.

[8]J B vanLier,et al.New perspectives in anaerobic digestion[J].Water Science and Technology,2001,43(1):1～18.